Собор расположен в северной части Торговой стороны Великого Новгорода, на территории бывшего Антониева монастыря, находящегося на правом берегу реки Волхов. Памятник является объектом Всемирного культурного наследия ЮНЕСКО. 

Согласно преданию, Антониева обитель была основана в 1106 году Антонием Римлянином, который приплыл в Новгород на камне. Вскоре после основания, с 1117 по 1119 год,  в обители был построен  каменный храм. В это время в Новгороде каменных храмов было совсем немного, и Антоний гордился, что смог воздвигнуть его на свои средства – без участия князя и новгородского епископа. Здание венчалось тремя куполами: главным (над основным объемом) и двумя меньшими (над южной частью хор и над лестничной башней). Позже к собору были пристроены приделы Антония Римлянина (1671 г.) и Иоанна Богослова (1680 г.), паперть (1699 г.) и некоторые служебные помещения. 

В 1125 году храм был расписан. От этого ансамбля до наших дней дошли в  хорошем состоянии фрески на западных гранях восточных столбов, которые были заслонены установленным в 1716 году высоким иконостасом. Сохранились  также фрагменты росписи алтарной части, которые не были сбиты в ХІХ веке. 

 В 1671 году первоначальную живопись переписали, сохраняя первоначальный рисунок. В виду ветхости, в ХІХ веке древние фрески были сбиты и храм  был заново расписан артелью живописцев Г. Верегина (1838 г.). Эти росписи сохранились до нашего времени. Они выполнены в характерной для XIX столетия академической манере, далекой от форм православной иконописи.

В течение многих столетий Антониев монастырь был заметным культурным и духовным центром. В XII веке здесь трудился первый русский математик Кирик – создатель «Учения о числах». С 1740 года при Антониеве монастыре учреждена духовная семинария, существовавшая до 1918 года.